JP2005282989A - 水素燃焼器 - Google Patents

Abstract

【課題】水素燃焼器において、触媒、熱交換器、および混合器の構造を変更して小型・軽量化を図る。
【解決手段】触媒コア７を、触媒を担持させた波板８と平板９を交互に積層して扁平状に形成し、当該触媒コア７と冷媒を流通させる扁平状の熱交換チューブ１１とを積層配置して触媒熱交換コア３を形成するとともに、水素導入口１７の上流側に主流通路２内の流れを乱す乱流要素１２を配置する。触媒コア７および熱交換チューブ１１の統合と、従来の混合器の削除あるいは簡略化により、著しく小型・軽量に構成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素の触媒による酸化反応熱を発生させる水素燃焼器に関する。

従来の水素燃焼器として、水素と空気の混合ガスを触媒に触れさせて酸化発熱させ、この熱を熱源として取り出すようにしたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

この場合、空気に水素を供給した後に、貫通孔の設けられたプレートを所定間隔で複数配置してなる混合器で攪拌して、混合ガスを生成する。さらに、その混合ガスを触媒で燃焼させ、その燃焼によって生じた燃焼ガスを熱交換器に導入し、熱交換媒体と熱交換させる。
特開２００２−３７２２０８号公報（段落［００１９］、図１）

しかしながら、従来の水素燃焼器は、触媒と熱交換器を別個に縦続して備えており、この部分が水素燃焼器の大型化や重量増の原因となっていた。

加えて、混合器がプレートを複数備えることも水素燃焼器の大型化や重量増の原因となっていた。

そこで、本発明は、触媒、熱交換器、および混合器の構造を変更して水素燃焼器の小型・軽量化を図ることを目的とする。

請求項１の発明にあっては、主流通路２を流れる空気に水素導入口１７から導入された水素を混合した混合ガスを触媒コア７で燃焼させ、その燃焼ガスを熱交換媒体との間で熱交換させる水素燃焼器１，１ｂにおいて、上記触媒コア７を、触媒を担持させた波板８と平板９を交互に積層して扁平状に形成し、当該触媒コア７と冷媒を流通させる扁平状の熱交換チューブ１１とを積層配置して触媒熱交換コア３，３ａを形成するとともに、水素導入口１７の上流側に主流通路２内の流れを乱す乱流要素１２を配置したことを特徴とする。

請求項２の発明にあっては、上記請求項１の発明において、上記触媒コア７と熱交換チューブ１１との間に熱を緩衝する熱緩衝帯１６を設けたことを特徴とする。

請求項３の発明にあっては、上記請求項１または２の発明において、上記乱流要素１２は主流通路２の一側端と他側端との間に帯状に架設されることを特徴とする。

請求項４の発明にあっては、上記請求項３の発明において、上記乱流要素１２は主流通路２の入口４，４ａに設けられることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、触媒コア７と熱交換チューブ１１とを統合して触媒熱交換コア３としたので、水素燃焼器１をより小型・軽量に構成することができる。さらに、水素導入口１７の上流側に主流通路２内の流れを乱す乱流要素１２を配置して空気と水素の混合を促進することができるため、従来水素導入口の下流側に設けていた混合器を小型化あるいは省略することができ、さらに小型・軽量に構成することができる。

請求項２の発明によれば、熱緩衝帯１６を設けたため、熱交換チューブ１１側への熱伝導により触媒コア７の温度が急激に低下するのが抑制され、より安定的に燃焼させることができる。

請求項３の発明によれば、乱流要素１２を主流通路２の一側端と他側端との間に帯状に架設することで、当該乱流要素１２を有する構成を容易に得ることができる。

請求項４の発明によれば、主流通路の入口４，４ａに乱流要素１２を設けることで、当該乱流要素１２を有する構成を容易に得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１〜図３は、本発明の第１の実施形態にかかる水素燃焼器を示しており、図１は、水素燃焼器の要部構成を示す斜視図、図２は、図１のＡ面による断面図、図３は、触媒熱交換コアの一部を示す斜視図である。

水素燃焼器１は、水素を燃料として燃焼熱を発生させる装置であり、水素供給源（圧縮水素タンク）から供給された水素ガスを主流通路２を流通する空気に導入して混合する。そして、その混合ガスを触媒熱交換コア３に導入して、触媒反応による混合ガスの燃焼と、その燃焼によって生じた燃焼ガスと熱交換媒体（例えば純粋）との熱交換を行う。

空気は、図示しない送風機によって、入口４から主流通路２を形成する管５内に導入されて下流側（図１では右側）に圧送される。

水素は、主流通路２の側端、すなわち管５の内壁から内方に進出する水素導入管６によって、主流通路２内に導入される。

触媒熱交換コア３は、触媒反応によって混合ガスを燃焼すべく、触媒コア７を備える。触媒コア７は、例えば白金（Ｐｔ）１％、残部アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる触媒を担持させたフェライト系ステンレスからなる薄肉の波板８と平板９を交互に積層して、扁平状に形成してある。この波板８と平板９との間に形成されるセル１０内に混合ガスが導入され、この混合ガスが触媒反応によって燃焼して燃焼ガスが生じる。なお、図示しないが、触媒コア７には一対の電極が設けられており、これらを通電することによって触媒コア７を発熱させることができるようになっている。

さらに触媒熱交換コア３は、高温の燃焼ガスと熱交換媒体との間で熱交換を行うべく、熱交換チューブ１１を備える。熱交換チューブ１１は、燃焼ガスの流通方向と交叉する方向（例えば直交する方向）に流通するよう、管５の一方の側端に形成された熱交換媒体のタンク１３と他方の側端に形成されたタンク１９との間に架設されている。

かかる構成では、上流側で混合ガスの燃焼が進むと、下流側では混合ガスはあまり燃焼しない。一方、触媒熱交換コア３の上流側は下流側より高温である分、触媒活性に優れている。そこで、本実施形態では、触媒熱交換コア３のガス流の上流側を主として燃焼のための領域とし、下流側を主として熱交換のための領域としている。すなわち、主としてガス流の上流側（例えば熱交換チューブ１１の上流側端部より上流側の領域）に触媒を担持させるとともに、図２に示すように、熱交換チューブ１１を下流側に寄せて配置する。

このようにして、燃焼ガスと熱交換媒体との間で熱交換が行われ、触媒熱交換コア３から排出された熱交換媒体からは燃焼熱が取り出されるとともに、出口１４からは除熱された燃焼ガスが排出される。

本実施形態によれば、触媒コア７と熱交換チューブ１１とを統合して触媒熱交換コア３としたので、従来に比べて水素燃焼器を小型・軽量に構成することができる。なお、この触媒熱交換コア３を構成するにあたっては、熱交換チューブ１１と触媒コア７（波板８および平板９）とを一体にロウ付けすれば、製造の手間が減り、製造コストが低減されるという利点がある。

ところで、触媒コア７で燃焼を効率良く行うには、空気と水素の混合比を、主流通路２の断面について均一とするのが望ましい。そこで、本実施形態では乱流要素１２によって混合比の均一化を図っている。

乱流要素１２は、その表面から流れが剥離して渦を伴う乱流が生じることを企図している。本実施形態では、乱流要素１２は、主流通路２の一側端と他側端との間に架設された帯状の板として設けられている。この場合、乱流要素１２の幅方向端面１８（シャープエッジの場合はその前端）で流れが剥離し、その下流が乱流となる。この乱流によって、空気と水素の混合ガスが攪拌され、触媒コア７の位置では、主流通路２の断面における混合比のばらつきの少ない均質化された混合ガスが得られる。

ここで、乱流要素１２は、図１に示すように、水素導入管６に配設される水素導入口１７の上流側に設け、乱流要素１２から触媒コア７までに所要の距離を確保してある。こうすることで、混合ガスが触媒コア７に到達するまでの間に十分な攪拌が行われるようになる。

さらに、本実施形態では、帯状の乱流要素１２を主流通路２の入口４（管５の入口端部）に配しており、主流通路２の一側端と他側端との間に極めて容易に架設することができる。なお、本実施形態では、図１に示すように、主流通路２は入口４から下流に向かうにつれて拡径しており、入口４の主流通路２の断面はその下流側（例えば直管部分、触媒コア７の位置）の断面より狭くなっているが、このような場合には、乱流要素１２を主流通路２の断面の狭い部分（本実施形態では入口４）に配することで、乱流要素１２をより小さくすることができるという利点もある。

一方、水素導入管６には主流通路２内で上流側に延伸する遡行部１５を設け、水素導入口１７を遡行部１５の側面に形成してある。このような構成により、水素は水素導入口１７から流れに対して交叉する方向（望ましくは直交する方向）に噴出されるため、動圧による抵抗が少ない状態で効率よく水素を噴出することができるという利点がある。また、図１に示すように、水素導入口１７が主流通路２のほぼ中央に位置するよう、遡行部１５を主流通路２の中心軸に沿って配置し、さらに複数の水素導入口１７で噴出方向を異なるようにして、水素が主流通路２の断面で放射状に噴出されるようにしてある。こうすることで、更なる均質化を図ることができる。

すなわち、本実施形態によれば、水素導入口１７の上流側に設置した乱流要素１２によって乱流を生じさせ、これにより空気と水素の混合ガスの攪拌を促進して混合比を均質化させて、触媒において安定的な燃焼状態を得ることができる。よって、従来のように水素導入口１７の下流側に大がかりな混合器を設ける必要がなくなり、水素燃焼器を小型・軽量に構成することができる。

上述したように、本実施形態によれば、触媒コア７と熱交換チューブ１１とを統合するとともに、乱流要素１２を設けたため、従来に比べ著しく小型・軽量化された水素燃焼器を得ることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲で上記実施形態に種々の改変を施すことができる。例えば、触媒熱交換コア３のサイズや形状、波板や平板の積層段数、熱交換チューブの数等は適宜変更することができる。また、一例として、上記触媒熱交換コア３に代えて、図４に示す触媒熱交換コア３ａを設けてもよい。この触媒熱交換コア３ａには、触媒コア７と熱交換チューブ１１との境界に緩衝帯として波板１６を設けてある。これにより、熱交換が促進されることにより触媒コア７の温度が低下しすぎるのを防止することができるとともに、上流側と下流側の温度差が過大となるのを抑制することができる。

また、水素燃焼器のサイズや主流通路の形状等は適宜変更することができる。一例として、図５（水素燃焼器１ｂ）に示すように、入口４から出口１４までの全域に亘って矩形断面の管５に代えて、入口４ａおよび出口１４ａ付近で円形断面を有する管５ａとしてもよい。

また、乱流要素は、流路の一部を遮蔽したり流路の断面形状を急変させたりすることによって流れの剥離を生じさせるものであればよく、種々の形状が考えられる。例えば、平板状ではなく立体的な形状としてもよいし、端部にフィン等を設けるなどしてもよい。また、乱流要素の数、配置、支持方法等も適宜変更することができる。さらに、上述した技術を適宜組み合わせて構成すれば、均質化ならびに小型・軽量化の効果はより一層高まる。

本発明の第１の実施形態にかかる水素燃焼器の斜視図。 本発明の第１の実施形態にかかる水素燃焼器の断面図。 本発明の第１の実施形態にかかる水素燃焼器の触媒熱交換コアの斜視図。 本発明の第２の実施形態にかかる水素燃焼器の触媒熱交換コアの斜視図。 本発明の第３の実施形態にかかる水素燃焼器の斜視図。

符号の説明

１，１ｂ 水素燃焼器
２ 主流通路
３，３ａ 触媒熱交換コア
４，４ａ 入口
７ 触媒コア
８ 波板
９ 平板
１１ 熱交換チューブ
１２ 乱流要素
１６ 熱緩衝帯
１７ 水素導入口

Claims (4)

1. 主流通路（２）を流れる空気に水素導入口（１７）から導入された水素を混合した混合ガスを触媒コア（７）で燃焼させ、その燃焼ガスを熱交換媒体との間で熱交換させる水素燃焼器（１，１ｂ）において、
   前記触媒コア（７）を、触媒を担持させた波板（８）と平板（９）を交互に積層して扁平状に形成し、当該触媒コア（７）と冷媒を流通させる扁平状の熱交換チューブ（１１）とを積層配置して触媒熱交換コア（３，３ａ）を形成するとともに、
   水素導入口（１７）の上流側に主流通路（２）内の流れを乱す乱流要素（１２）を配置したことを特徴とする水素燃焼器。
2. 前記触媒コア（７）と熱交換チューブ（１１）との間に熱を緩衝する熱緩衝帯（１６）を設けたことを特徴とする請求項１に記載の水素燃焼器。
3. 前記乱流要素（１２）は主流通路（２）の一側端と他側端との間に帯状に架設されることを特徴とする請求項１または２に記載の水素燃焼器。
4. 前記乱流要素（１２）は主流通路（２）の入口（４，４ａ）に設けられることを特徴とする請求項３に記載の水素燃焼器。
   
   

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